Schiume e antischiuma: stabilità dei film e abbattimento

Una schiuma è una dispersione di bolle di gas in un liquido, separate da sottilissimi film: una struttura fragile che, senza un tensioattivo a stabilizzarla, collasserebbe in un istante. A volte la schiuma è il prodotto (detergenti, alimenti, antincendio), altre volte è un nemico di processo da abbattere con gli antischiuma. Capire cosa tiene in piedi un film di schiuma è la chiave per entrambe le situazioni.

Vediamo come nasce una schiuma, cosa la stabilizza, perché alla fine collassa e come funzionano gli agenti antischiuma.

Che cos’è una schiuma

Una schiuma è un sistema in cui un gas (di solito aria) è disperso in un liquido sotto forma di bolle. Le bolle sono separate da pellicole liquide sottili, i film, che si incontrano lungo bordi chiamati bordi di Plateau. Il liquido puro non fa schiuma stabile: le bolle coalescono e scoppiano quasi subito. Serve qualcosa che stabilizzi i film, e quel qualcosa è tipicamente un tensioattivo che si adsorbe alle interfacce aria–acqua dei due lati del film.

Cosa stabilizza i film

Un film di schiuma resta in vita finché non si assottiglia fino a rompersi. Più meccanismi lo proteggono. Il tensioattivo adsorbito abbassa la tensione superficiale e fornisce una sorta di elasticità al film: se un punto si assottiglia e si allunga localmente, lì la concentrazione superficiale di tensioattivo cala, la tensione superficiale risale e il liquido viene «richiamato» verso quel punto, riparando l’assottigliamento. Questo flusso di guarigione è l’effetto Marangoni ed è uno dei principali responsabili della stabilità delle schiume.

Oltre all’effetto Marangoni contano la repulsione fra le due superfici cariche del film (pressione di disgiunzione), che le tiene distanti e ne ostacola l’avvicinamento fino alla rottura, e la viscosità del film, che rallenta il drenaggio del liquido sotto gravità. Più questi fattori sono favorevoli, più la schiuma è persistente.

Perché le schiume collassano

Una schiuma è comunque un sistema instabile dal punto di vista termodinamico, e prima o poi degrada attraverso tre processi.

Gli agenti antischiuma

In molti processi industriali — fermentazioni, distillazioni, verniciature, trattamento acque, lavorazioni alimentari, cartiere — la schiuma è un problema: riduce la capacità degli impianti, intralcia le pompe, falsa i livelli. Gli antischiuma (o defoamer) servono a prevenirla o a distruggerla. Sono tipicamente sostanze insolubili nel mezzo e a bassa tensione superficiale, come oli siliconici, oli minerali o particelle idrofobe, spesso usate in combinazione.

Il meccanismo è elegante: la goccia di antischiuma, insolubile, entra nel film e si distende rapidamente sulla sua superficie, spiazzando il tensioattivo stabilizzante e annullando localmente l’effetto Marangoni. Le particelle idrofobe, dal canto loro, perforano il film facendolo defluire. Il risultato è che il film, privato della sua capacità di autoripararsi, si assottiglia e si rompe. Per essere efficace, l’antischiuma deve essere insolubile (altrimenti diventerebbe esso stesso un tensioattivo) e capace di entrare e distendersi sul film.

antischiuma insolubile  →  entra e si distende sul film  →  spiazza il tensioattivo  →  rottura

Schiuma voluta e schiuma indesiderata

Vale la pena ricordare che la schiuma non è sempre un difetto. In molti detergenti la schiuma è gradita al consumatore (anche se non è strettamente necessaria al lavaggio), nelle schiume antincendio è il principio funzionale, in molti alimenti (panna, mousse, birra) è una caratteristica di qualità. La formulazione mira quindi a controllare la schiuma nella giusta direzione: stabilizzarla dove serve con tensioattivi adatti, abbatterla dove disturba con antischiuma mirati. La gestione della schiuma è una competenza di processo tanto quanto di formulazione.

Perché conta nella pratica

Saper governare la schiuma è essenziale in moltissimi processi. Dove la schiuma è il prodotto, occorre un tensioattivo che dia film elastici e persistenti; dove è un problema, occorre un antischiuma insolubile, ben dosato e compatibile con il sistema. Capire perché un film resiste — effetto Marangoni, repulsione, viscosità — e perché collassa — drenaggio, coalescenza, disproporzione — permette di scegliere la strategia giusta, di evitare overflow e perdite di efficienza negli impianti e di formulare prodotti con la schiuma desiderata. È una competenza che unisce chimica delle interfacce e ingegneria di processo.

La capacità delle bolle di sollevare le particelle che respingono l’acqua è sfruttata nella flottazione a schiuma per separare i minerali.

Domande frequenti

Perché il liquido puro non fa schiuma stabile?

Perché senza un tensioattivo i film liquidi tra le bolle non hanno alcun meccanismo per resistere all’assottigliamento: drenano, si rompono e le bolle coalescono quasi subito. Serve un tensioattivo adsorbito alle interfacce che fornisca elasticità ai film (effetto Marangoni) e repulsione fra le superfici, dando alla schiuma la persistenza che il liquido puro non ha.

Che cos’è l’effetto Marangoni nelle schiume?

È il meccanismo di autoriparazione dei film: quando una porzione di film si assottiglia e si allunga, lì la concentrazione di tensioattivo cala e la tensione superficiale aumenta; il gradiente risultante richiama liquido dalle zone vicine verso il punto debole, ripristinando lo spessore. È uno dei principali fattori che rendono stabile una schiuma.

Perché le schiume alla fine collassano?

Per tre processi che agiscono nel tempo: il drenaggio fa scolare il liquido dai film per gravità assottigliandoli; la coalescenza fa rompere i film troppo sottili fondendo bolle adiacenti; la disproporzione (maturazione di Ostwald) fa diffondere il gas dalle bolle piccole a quelle grandi. Insieme portano la schiuma, termodinamicamente instabile, a degradare.

Come funziona un agente antischiuma?

È una sostanza insolubile a bassa tensione superficiale (oli siliconici o minerali, particelle idrofobe) che entra nel film e vi si distende rapidamente, spiazzando il tensioattivo stabilizzante e annullando l’effetto Marangoni. Le particelle idrofobe perforano il film. Privato della capacità di autoripararsi, il film si assottiglia e si rompe.

Perché un antischiuma deve essere insolubile?

Perché deve restare come fase separata che entra e si distende sul film, spiazzando il tensioattivo: se fosse solubile nel mezzo si disperderebbe e si comporterebbe esso stesso da tensioattivo, stabilizzando la schiuma anziché distruggerla. L’insolubilità, unita alla capacità di entrare e diffondersi sul film, è la condizione per l’efficacia.